林子博, 劉建輝, 吳忠旺, 李一鳴, 金自力

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)新金屬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 包頭 014010；2.包頭三德電池材料有限公司, 包頭 014010)

硅鋼可分為無(wú)取向硅鋼和取向硅鋼兩類(lèi)[1-4]。取向硅鋼主要用于定向磁場(chǎng)，在成分相似的情況下，取向硅鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎只與高斯晶粒取向的偏離程度有關(guān)，即高斯晶粒取向越理想，其磁感應(yīng)強(qiáng)度越大[5-7]。目前,測(cè)量晶面取向及偏離程度的方法包括：蝕坑法、X射線極圖法和電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)[8-10]。蝕坑法是傳統(tǒng)的織構(gòu)表征方法，其根據(jù)專門(mén)浸蝕劑腐蝕晶粒后的腐蝕坑形狀來(lái)判斷晶粒取向，優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單易行，但不能準(zhǔn)確地獲得織構(gòu)類(lèi)型，特別是偏離程度[11]。X射線極圖法原理是測(cè)量3個(gè)不完整極圖，進(jìn)而得到取向分布函數(shù)，并能對(duì)織構(gòu)組分進(jìn)行定量分析，但其測(cè)試步驟較為復(fù)雜，需要專門(mén)配備歐拉環(huán)的X射線衍射儀，同時(shí)測(cè)試時(shí)間通常需要幾個(gè)小時(shí)[12]。EBSD同樣能夠得到晶粒的取向信息，其角分辨率可達(dá)0.2°，但其需要專門(mén)配備EBSD系統(tǒng)的掃描電子顯微鏡。同時(shí)，EBSD對(duì)樣品的要求非常嚴(yán)格，如要求樣品表面無(wú)應(yīng)力層，對(duì)樣品機(jī)械拋光后再進(jìn)行電解拋光或者振動(dòng)拋光處理，過(guò)程較為復(fù)雜[13]。

作者介紹了一種適用于超大晶粒取向硅鋼的高斯晶粒取向偏離角的X射線衍射測(cè)量方法，提出了將試探法和探測(cè)器掃描法相結(jié)合的方式進(jìn)行測(cè)量。

1 偏離角的X射線衍射測(cè)量方法

利用X射線衍射法(XRD)測(cè)量取向偏離角，目前認(rèn)可的測(cè)量方法是非對(duì)稱的搖擺式掃描(見(jiàn)圖1)[14]。其原理是：將光管和探測(cè)器的角度固定為2θ，測(cè)試過(guò)程中兩者固定不動(dòng)，在2ω的角度范圍內(nèi)，從θ-ω掃描到θ+ω；在出現(xiàn)衍射峰處，光管的角度為θ1，入射線和衍射線的角平分線同試樣法線之間的夾角ω1即為取向的偏離角，可以簡(jiǎn)單地通過(guò)ω1=|θ1-θ|來(lái)計(jì)算。

圖1 X射線衍射法非對(duì)稱搖擺式掃描原理示意

上述方法必須首先在Bragg-Brentano(稱簡(jiǎn)B-B)衍射模式下，利用X射線衍射確定高斯晶粒取向(110)面的2θ角，否則無(wú)法設(shè)定光管和探測(cè)器之間的角度。如果高斯晶粒的(110)面相對(duì)樣品表面存在一定的取向偏離角度，那么在B-B衍射模式下將無(wú)法得到(110)面的衍射峰。這是因?yàn)?，根?jù)X射線布拉格衍射理論，入射線、衍射線和衍射晶面的法線必須在同一平面，且衍射晶面法線為入射線和衍射線的角平分線[15]。在B-B衍射模式下，入射線和衍射線始終保持相同角度的聯(lián)動(dòng)，其角平分線始終同樣品表面法線重合，即只有平行于表面的(110)面才能發(fā)生衍射并產(chǎn)生衍射峰。

通常鋼鐵產(chǎn)品的晶粒尺寸僅有幾十微米，X射線照射面積內(nèi)包含很多晶粒。由于取向分布的隨機(jī)性，總有一定晶粒的(110)面平行于試樣表面，從而能夠得到(110)面的2θ角。對(duì)于取向硅鋼，由于晶粒尺寸有幾十毫米，因此照射面積內(nèi)可能僅包含數(shù)個(gè)或1個(gè)晶粒[16]，如圖2中的組織。如果大晶粒的(110)面偏離測(cè)試表面水平面一定角度，則上述B-B衍射模式將無(wú)法得到(110)面的衍射峰(即2θ角)。圖3為實(shí)際測(cè)試結(jié)果，在整個(gè)有效掃描范圍內(nèi)均無(wú)法得到衍射結(jié)果。

圖2 取向硅鋼成品的毫米尺度晶粒形貌

圖3 無(wú)X射線衍射譜峰的實(shí)際情況

雖然以衍射數(shù)據(jù)庫(kù)中的硅鋼(110)面衍射2θ角為參照，但產(chǎn)品成分、工藝的差別，以及測(cè)試溫度和儀器誤差等均會(huì)引起晶胞參數(shù)變化，從而改變衍射角，增加測(cè)試誤差。如果實(shí)際樣品所用的標(biāo)準(zhǔn)衍射角過(guò)大，也會(huì)無(wú)法檢測(cè)出衍射譜線。

理論上，解決上述問(wèn)題的方法為：① 選取同樣的樣品制備成粉末，測(cè)試粉末樣品(110)面的2θ角；② 選取相同成分、細(xì)晶的硅鋼樣品，測(cè)量其(110)面的2θ角。

方法①能夠準(zhǔn)確得到2θ角，但增加了測(cè)試過(guò)程的復(fù)雜性，方法②不能準(zhǔn)確獲得理想的2θ角。通常取向硅鋼中高斯晶粒的取向偏離為5°～10°[17]，因此上述偏差對(duì)最終取向偏離的影響不容忽視。

2 測(cè)量原理和儀器

2.1 測(cè)量原理

對(duì)于偏離表面的(110)面，產(chǎn)生衍射的條件是入射線同晶面的夾角為θ，入射線同衍射線的夾角為2θ，在未知偏離角β和θ的情況下，可以采用試探的方式，將光管角度設(shè)置在一定范圍內(nèi)，探測(cè)器在一定角度范圍內(nèi)掃描。如果能夠出現(xiàn)衍射峰，則可以同時(shí)獲得偏離角ψ和衍射角θ。

試探法探測(cè)器掃描過(guò)程及測(cè)得偏離角如圖4所示。將取向硅鋼放置在樣品臺(tái)中心位置后，將光管角度設(shè)置為θ0-α。其中θ0可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中α-Fe(110)晶面對(duì)應(yīng)的衍射半角或類(lèi)似成分硅鋼的試驗(yàn)結(jié)果得到，該角度實(shí)際為預(yù)估的(110)晶面的衍射半角。高斯晶粒的偏差角通常為5°～10°，α通常也設(shè)置為5°～10°，這樣可以保證θ0-α一定在涵蓋(110)晶面衍射角度的半角范圍內(nèi)。隨后采用探測(cè)器掃描的方式，使探測(cè)器在(θ0+α)-β至(θ0+α)+β的角度范圍內(nèi)掃描。其中，β反映了實(shí)測(cè)樣品X射線衍射2θ角同預(yù)估角度2θ0之間可能存在偏差，且偏差通常不超過(guò)3°～5°。上述設(shè)置可以保證實(shí)際探測(cè)模式的角度大于預(yù)估的理論角度2θ0，從而在偏離情況下能夠準(zhǔn)確探測(cè)出真實(shí)的衍射角度。

圖4 試探法探測(cè)器掃描過(guò)程及測(cè)得偏離角示意

記錄探測(cè)器掃描的衍射譜線后，重新調(diào)整光管固定的角度，將光管角度設(shè)置為θ0-α+Δθ1，其中Δθ1<α，設(shè)置該角度是為了在小偏離角度下進(jìn)行試探。實(shí)際上，Δθ1為試探掃描的步長(zhǎng)，在初期步長(zhǎng)可設(shè)置為1°～2°，以提高測(cè)試速度。探測(cè)器在(θ0+α+Δθ1)-β至(θ0+α+Δθ1)+β的角度范圍內(nèi)掃描。當(dāng)探測(cè)器獲得的譜線中出現(xiàn)衍射峰后，繼續(xù)以間隔角度Δθ1逐漸增加光管角度并進(jìn)行掃描，直到衍射峰的強(qiáng)度出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，即停止掃描，可得到衍射強(qiáng)度最高時(shí)的光管角度θm1。

以衍射強(qiáng)度最高時(shí)的光管角度θm1為中心,將光管角度設(shè)置為θm1-Δθ1，進(jìn)行對(duì)應(yīng)角度范圍的掃描。依次增加光管的間隔角度Δθ2，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)角度范圍的掃描。測(cè)試間隔的角度逐漸減小，即Δθ1>Δθ2，以保證測(cè)試精度逐漸提高。同理，得到衍射強(qiáng)度最高的光管角度θm2。

依此類(lèi)推，以得到的衍射強(qiáng)度最高的光管角度θmn為中心,n為大于等于2的正整數(shù)，將光管角度設(shè)置為θmn-Δθn，進(jìn)行對(duì)應(yīng)角度范圍的掃描，依次增加光管的間隔角度Δθn+1，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)角度范圍的掃描，Δθn>Δθn+1，從而得到衍射強(qiáng)度最高時(shí)的光管角度，最強(qiáng)衍射強(qiáng)度對(duì)應(yīng)了最準(zhǔn)確的衍射峰位。同時(shí)，逐漸減小測(cè)試間隔角度，以保證最高的精度。重復(fù)上述步驟，直至Δθn+1≤Δθr，其中Δθr為設(shè)定的偏離角分辨率，從而得到譜峰最高時(shí)的光管角度θt和探測(cè)器對(duì)應(yīng)的角度θd。根據(jù)X射線衍射基本原理，可知衍射角2θ=θt+θd；入射線和衍射線夾角的半角θ=(180°-θt-θd)/2；偏離角ψ為入射線和衍射線的角平分線與試樣表面法線之間的夾角，ψ=(θd-θt)/2。由于也可能出現(xiàn)對(duì)稱位置的偏離，因此ψ=|(θd-θt)/2|。上述過(guò)程中，光管移動(dòng)的間隔角度決定了偏離角的精確程度，例如測(cè)試中采用儀器的間隔角度可以精確到0.01°。

2.2 測(cè)量?jī)x器

采用Bruker-D8 Advance型衍射儀進(jìn)行測(cè)量，靶材采用銅靶，電壓為40 kV，電流為40 mA。測(cè)試樣品經(jīng)過(guò)砂紙機(jī)械打磨清洗后，表面清潔平整。

EBSD采用ZEISS Sigma 300型電子顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行取向分析，在點(diǎn)模式下獲得其歐拉角。將試樣用不同型號(hào)的砂紙進(jìn)行打磨和拋光，最后進(jìn)行電解拋光，電解拋光時(shí)試樣接電源正極，不銹鋼接負(fù)極，采用89%甲醇+10%乙酰丙酮+1%四甲基氯化銨(體積分?jǐn)?shù))溶液對(duì)試樣進(jìn)行浸蝕，迅速取出試樣，用清水沖洗表面，再用無(wú)水乙醇清洗和吹干。

3 測(cè)量結(jié)果

試樣為冷軋退火后的取向硅鋼，根據(jù)XRD標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)查得α-Fe(110)晶面在銅靶下對(duì)應(yīng)的衍射角為44.8°，設(shè)置θ0為22°，α為5°，β為2°，Δθ1為2°，掃描速度v1為6 (°)/min，掃描步長(zhǎng)s1為0.01°。

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行第一輪的測(cè)試。光管的開(kāi)始角度為17°，探測(cè)器掃查角度為25.8°～29.8°,序號(hào)為1-1;第二次掃查時(shí)光管的開(kāi)始角度為19°，探測(cè)器掃查角度為23.8°～27.8°，序號(hào)為1-2。隨后的測(cè)試，依此類(lèi)推。光管角度從17°開(kāi)始，依次間隔2°，最終到27°時(shí)衍射峰強(qiáng)度開(kāi)始降低，探測(cè)器掃查角度為23.8°～27.8°時(shí)的衍射譜線如圖5所示，最高峰時(shí)的掃查角度為25°。

圖5 探測(cè)器掃查角度為23.8°～27.8°時(shí)的衍射譜線

第二輪掃查中，以25°為中心，選擇Δθ2為0.5°，v1為6(°)/min，s1為0.01°，光管以開(kāi)始角度為23.5°進(jìn)行掃查。根據(jù)第一輪掃查的結(jié)果,將2θ進(jìn)一步縮小至44.0°～45.5°，具體參數(shù)為表1中的2-1至2-5。探測(cè)器掃查角度為23.5°～25.5°時(shí)的衍射譜線如圖6所示，光管角度為23.5°～25.5°，其峰值出現(xiàn)在掃查角度為25°時(shí)。

表1 探測(cè)器掃描參數(shù) (°)

圖6 探測(cè)器掃查角度為23.5°～25.5°時(shí)的衍射譜線

第三輪掃查中，以25°為中心，選擇Δθ3為0.2°，其他條件不變，光管開(kāi)始角度為24.7°，具體參數(shù)為表1中的3-1至3-4。探測(cè)器掃查角度為24.7°～25.3°時(shí)的掃描衍射譜線如圖7所示，其峰值出現(xiàn)在掃查角度為24.9°時(shí)。這輪掃查中，得到譜峰最高時(shí)的光管角度θt為24.9°,探測(cè)器對(duì)應(yīng)的角度θd為19.86°，由此確定(110)晶面衍射對(duì)應(yīng)的衍射角為44.76°，該角度相對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的角度偏差了0.03°，同時(shí)得到取向偏離角ψ為2.5°。

圖7 探測(cè)器掃查角度為24.7°～25.3°時(shí)的衍射譜線

為了驗(yàn)證上述結(jié)果，同時(shí)對(duì)相同樣品采用EBSD進(jìn)行檢測(cè)。其中得到該晶粒的歐拉角為(4.8°,41.8°,87.5°),由歐拉角和取向矩陣之間的關(guān)系，可以得到實(shí)測(cè)的平行軋面的晶面指數(shù)[18]為(hkl)=(sinφ2sinφ,cosφ2sinφ,cosφ)，h,k,l分別為晶面指數(shù)；φ2為自轉(zhuǎn)角；φ為章動(dòng)角。

立方晶系晶面之間的夾角[20]為

(1)

式中:θ為晶面夾角；k1,k2,h1,h2,l1,l2分別為晶面1和晶面2的指數(shù)。

同標(biāo)準(zhǔn)的高斯晶粒(110)面比較，經(jīng)過(guò)歸一化后，(h2k2l2)=(0.707,0.707,0)。經(jīng)計(jì)算得到的(h1k1l1)=(0.667,0.029,0.745)，考慮取向的等價(jià)性，調(diào)整為等價(jià)取向(0.667,0.745,0.029)。由式(1)計(jì)算可得兩者之間的夾角為3.4°，該數(shù)值同X射線衍射法的測(cè)試結(jié)果基本一致。采用X射線衍射法對(duì)樣品表面質(zhì)量的要求更低，同時(shí)測(cè)試時(shí)間更短。

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了一種利用X射線衍射探測(cè)器掃描探測(cè)超大高斯晶粒取向偏離角的方法，該方法能夠在超大晶粒取向硅鋼中同時(shí)獲得準(zhǔn)確的衍射角度和取向偏離角度；采用光管間隔角度Δθ從大到小的設(shè)置思路，能夠以較快的方式獲得數(shù)據(jù)，該方法測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。